基于PVDF的静电纺纳米纤维复合膜的制备及其防水透气性能研究

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防水透气织物是一种功能型织物,在恶劣的环境下,能够使人体与雨、雪、化学药品隔离的同时又能向外界传递水蒸气。防水透气织物发展至今,已经形成一个成熟的体系,可以将其分为三类:涂层织物、紧密织物和层压织物。随着防水透气织物数量的不断增加,其应用范围已从户外休闲服装延伸到医疗和军事应用领域。防水透气织物的性能差异决定了最终的应用范围。户外运动休闲服装中用到的防水透气面料除了需要具备一定的防水透气作用外,还必须具备一定的舒适性;医疗卫生、消防用防护服,需要具备较高的耐液体渗透强度,需要更高程度的防水性能;军事应用中,由于野外作战的恶略环境,使得其必须具备较强的阻隔性能。正是为了满足多功能防水透气织物的多元化需求,人们开始探索新的技术制备新型的防水透气织物。静电纺丝作为一种新型技术来开发防水透气织物,具有优异的性能,制备的薄膜状纳米纤维膜能够应用于过滤、组织工程支架、传感器、防护服。正是由于纳米纤维高比表面积、质轻、高孔隙率的特点使得其成为制备高性能服装的优选材料。聚偏氟乙烯(PVDF)韧性高,是氟塑料中拉伸强度较高的产品,冲击强度和耐磨性能都比较好,而且PVDF属于疏水性较强的物质。本文决定利用PVDF为主体制备纳米纤维复合膜,通过混纺、层合纺等静电纺丝技术制备一种新型复合膜,探索其在防水透气的应用,本论文研究内容对纳米纤维在防水透气领域的应用具有一定的创新和指导意义。本文首先制备了PVDF/CA(CA是二醋酸纤维素)混纺纳米纤维膜,通过一系列测试分析(SEM、力学性能、防水透气性能)得出其最佳混纺比例,极大改善了其防水透气性能。质量比为90/10的PVDF/CA混纺膜综合性能优异,其力学性能比纯纺膜PVDF有所提高,断裂强度为4.29MPa,其断裂伸长率为48.41%。而且其孔径分布较均匀,平均孔径为1.551μm。防水透气以及耐静水压的综合作用较强,其透气率为27.29mm/s,在具备高透气率的同时具有一定防风保暖性能,其拒水等级为4级,耐静水压值为5548Pa。通过对PVDF纯纺纳米纤维膜进行混纺改性,虽然这种方式增强了纳米纤维膜的力学强度和耐静水压值,但是CA的加入并没有改善其最终形成纳米纤维膜的柔软性。为了增强服用舒适性,本文采用PMMA为芯层,PVDF为外层制备了层合纺纳米纤维膜。层合纺是一种纺制出多层复合结构薄膜的纺丝方式,这种多组分结构会使得其性能多样化。通过柔软性测试结果可知,PVDF/PMMA/PVDF的抗弯刚度较小,柔软性较高,均优于纯纺PVDF膜和质量比为90/10的混纺膜PVDF/CA,增强了人体穿着的舒适性。层合纺纳米纤维膜的断裂强度、伸长率依次为3.02MPa、41.16%,透气率为30.49067mm/s,耐静水压值为4912Pa,沾水性能测试等级与纯纺PVDF膜相同。最后,本文通过在层合纺纳米纤维膜PVDF/PMMA/PVDF的芯层PMMA中添加无机纳米粒子TiO2,在改善其机械性能的同时并对其防水透气性能有一定改善。无机纳米粒子的适量加入利于作为成核剂使得PMMA晶体结构更加完善,使得PMMA结晶度增加。同时无机纳米粒子的极性基团与PMMA的极性基团相互吸引,增强了分子间作用力。两者共同作用最终使得芯层PMMA力学性能与外层PVDF力学性能差异减小,进而使得其综合力学性能增强。当PMMA中TiO2的质量分数为6%时,其力学强度为5.56MPa,断裂伸长率为49.95%,透气率为20.48433mm/s,沾水等级测试结果同纯PVDF膜相同,耐静水压值为6745Pa。最后,选取TiO2含量为6%的层合纺膜对其进行热处理,进一步改善了其防水透气性能。
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